A HNCO adszorpciójának és bom lásának vizsgálata C u ( ll l) felületen Aug er-, elektron energiaveszteségi és term ikus deszorpciós spektroszkópiával*

Átírás

1 Magyar Kémiai Folyóirat 88. évf sz. 131 A HNCO adszorpciójának és bom lásának vizsgálata C u ( ll l) felületen Aug er-, elektron energiaveszteségi és term ikus deszorpciós spektroszkópiával* SOLYMOSI FRIGYES és KISS JÁNOS M TA, Reakciókinetikai Tanszéki Kutató Csoport, 6701 Szeged, Dóm-tér 7, Pf. 105 Jelen közleményünk részét képezi annak a programnak, amely arra irányul, hogy mélyebb betekintést nyerjünk a fémek által katalizált NO CO reakció során végbemenő felületi folyamatok természetébe. Részletes infravörösspektroszkópiai vizsgálatokból kitűnt, hogy a hordozott fémek által katalizált NO -f- CO reakcióban izocianát (NCO) felületi komplex képződik1-3. Az izocianát víz jelenlétében ammóniává alakul4, amely folyamat elsősorban felelős azért, hogy a kipufogógázok katalitikus átalakításakor NHS képződik. Bár az infravörös spektroszkópiai vizsgálatok számos információt szolgáltattak az NCO képződésének folyamatáról különböző hordozókon, viszonylag kevés adat áll rendelkezésünkre az NCO és a fém közötti kötésre és az NCO reakcióképességére vonatkozóan. Ennek elsődleges oka az, hogy az oxid-hordozó jelentősen befolyásolja a fémen képződő NCO sajátságait3-5. A jelen munka célja az, hogy az NCO és a Cu(lll) felület közötti kölcsönhatás néhány részletét feltárja. Mivel az NCO-t nem lehet létrehozni a NO + CO reakcióval kis nyomáson, ezt a problémát úgy próbáltuk megoldani, hogy izociánsavat, HNCO-t adszorbeáltattunk a felületre. Kísérleti rész A kísérleteket rozsdamentes acélból készült ultravákuumra (10-10 mbar) leszívatható analizáló kamrában végeztük. Az Auger-elektronok analíziséhez, valamint az energiaveszteségek elemzéséhez hengertükör-analizátort (CMA) használtunk. A diffrakciós képet (LEED) három rácsos analizátorral (RFA) vettük fel. A gázfázis összetételét kvadrupol tömegspektrométerrel elemeztük. Az ultravákuumot ion-getter és titánszublimációs pumpával állítottuk elő. Az Auger-elektronokat elektronütközéses gerjesztéssel állítottuk elő. Az Auger-spektrumokat dn{e)/de formában vettük fel. 3 Y modulációt alkalmaztunk. A gerjesztő elektronok energiája 2,5 kv, a mintán folyó áram 1 10 fia volt. 3 V/s felvételi sebességet alkalmaztunk. Az energiaveszteségi spektrumokat N(E) és div(e)/de formában vettük fel normál elektronütközés mellett. A primer elektronsugár energiáját ev, az elektronáramot 0,2 1,0 fia között változtattuk. Moduláló feszültségként 200 mv-ot alkalmaztunk. * A dolgozat angol nyelven is megjelent. Surface Science, M. L. Unland: J. Catal., J. W. London, A. T. Bell: J. Catal., F. Solymosi, L. Tölgyesi, J. Raskó: Z. Phys. Chem. (NF) ; és az ott található hivatkozások. 4 F. Solymosi, J. Kiss, J. Sárkány: Proc. 7th Intern. Vacuum Congr. and 3rd Intern. Conf. on Solid Surfaces, Ed. R. Dobrozemsky et al. (Vienna, 1977) 819. o. 5 F. Solymosi, L. Tölgyesi, J. Sárkány: J. Catal., Az orientált kristályt (átmérő: 6 mm, vastagság: 1,5 mm) a Matériái Research Corporation -tól vásároltuk. A mintát mechanikusan políroztuk és réz mintatartóba helyeztük. A kristályt közvetett módon fűtöttük izzó wolfram-spirál segítségével. A hőmérsékletet NiCr-Ni termőelemmel mértük, amelyet a kristály oldalához helyeztünk. A felületet többször megismételt argon-ion bombázással (600 V, 3 fi A), illetve 970 K-re történő fűtéssel tisztítottuk. A HNCO-t telített KOCN és 95%-os H3P 0 4 reakciójával állítottuk elő6. A terméket többszöri desztillációval tisztítottuk nagyvákuum és ultra-vákuum körülmények között. A HNCO-t egy kisegítő vákuum-kamrából vezettük egy rozsdamentes acélból készített kapillárison keresztül a mintához. A kapilláris átmérője: 0,8 mm, a minta és a kapilláris távolsága: 0,5 1 cm volt. A kísérleti eredmények ismertetése 1. Adszorpció tiszta Cu(111) felületen A HNCO bevezetése (1,2 XlO3 L, 1 L = = 1, Pa. s.) a tiszta Cu(lll) felületre 300 K-en változást nem okozott az Áuger-spektrumon, és semmiféle deszorbeálódó terméket nem tudtunk kimutatni, amikor az adszorpció után a felületet 1020 K-re melegítettük (1. ábra). Korábbi vizsgálatokkal egyezésben, Augerspektroszkópiával kimutatható CO-adszorpciót vagy diszproporcionálódást 300 K-en nem észleltünk (expozíció L). Ugyancsak nem észleltünk kölcsönhatást a C02 és a tiszta Cu(lll) felület között (expozíció <C L) sem. 2. A HNCO adszorpciójának vizsgálata oxigénnel borított felületen: Auger-spektroszkópiai vizsgálatok Az oxigén adszorpcióját 300 K-en végeztük. LEED-vizsgálatokkal extra-pontokat nem észleltünk, ugyanakkor a háttérintenzitás jelentősen megnövekedett. A 2. ábrán a relatív oxigén Augerjel intenzitását (h0jhcu = O514/Cu920) láthatjuk, amelyet a második derivált Auger-spektrumból nyertünk, az oxigén-expozíció függvényében. A nagyobb borítottság értékeket a Pa nyomástartományban értük el. Az abszolút borítottság értékét a Bootsma és munkatársai7 által meghatározott összefüggésből számítottuk ki, melyet a relatív oxigén Auger-jel és az ellipszometriás öa, valamint a öa és az oxigén-borítottság között találtak. Becslésük alapja az volt, hogy Cu(110) felületen a teljes oxigén-borítottságnál (2 X l)-es LEED struktúrát észleltek, amely azt jelenti, hogy az O atom/felületi Cu atom viszonya 0,5, tehát 6 F. Solymosi, T. Bánsági: J. Phys. Chem., F. H. P. M. Habraken, E. P. Kieffer, G. A. Bootsma: Surf. Sci.,

2 1 3^ Solymosi F. és Kiss J.t A HNCO adszorpciója és bomlása réz felületen Magyar Kémiai Folyóirat 88. évf sz. 1. ábra A C u(lll) felület Auger-spektrumai: (a) a tiszta és a 300 K-en 100 L HNCO-val exponált felület; (b) 300 K-en 60 L 0 2-nel exponált felület (0 ^ 0,17); (c) oxigénnel preadszorbeált felület (0 ^ 0,17); amelyre 90 L HNCO-t vezettünk 300 K-en; (d) a szén Auger-spektruma a HNCO-expozíció után; (e) a szén Auger-spektruma a CO elektronindukált disszociációja után; (f) nitrogén Auger-spektruma a HNCO-expozíció után. (1L 1,33 10 ~4Pa s) 0 ^ 0,5. A továbbiakban feltételezték, hogy a Cu 920 ev-os Auger-jele egyenlő az (111) és (110) orientációjú felületeken. Az oxigénnel kezelt felületre (0O^ 0.17) HNCO-t adszorbeáltatva az Auger-spektrumokon a N és C KLL-jeleit észleltük 384 és 271 ev-nál, valamint egy csekély oxigénjei-növekedést 514 ev-nál (1. ábra). Az adszorpció alatt a gázfázis tömegspektrometriás analízise szerint víz képződött. Más terméket kimutatni nem tudtunk, noha a mintánk a legkedvezőbb helyzetben, az analizáló fej előtt 10 mm-re volt. A HNCO adszorpciója az oxigénnel kezelt felületen a LE ED képen nem eredményezett változást. Mivel a C O kötés meglehetősen érzékeny az elektronütközés hatására, részletesen vizsgáltuk az elektron fluxus hatását az adszorbeátum Augerjeleinek intenzitására. Először 2,5 ev-os elektronsugarat alkalmaztunk, a mintán folyó áram 1 xa volt. Még ebben az esetben is jelentős csökkenést észleltünk az oxigénjei intenzitásában (3. ábra). Az áram további növelése csak csekély változást okozott. 10 jla alkalmazásakor már az első felvételnél a végső, kis intenzitású, oxigénjelet kaptuk. Az elektronáram lényegesen kisebb hatást gyakorolt a C jel intenzitására, ugyanakkor nem tapasztaltunk változást a N jelek intenzitásának követésekor, még akkor sem, ha viszonylag nagy elektronáramot használtunk (3. ábra). Abból a célból, hogy minimálisra csökkentsük az elektronáram okozta hatásokat, az Auger- R el. sugár Jb = 1pA 5 pa 10 pa D O 0 A - o0,3-0,20-0,16-0,12-0,08-0,2- i...-i 0,04- el.sugár expozíció sec idő perc (L) 2. ábra Az oxigén 514 ev-os és a Cu 920 ev-os csúcsának az aránya az oxigén-expozíció függvényében 3. ábra Az elektronáram és az elektron-expozíció hatása a N, C és az O relatív Auger-jel intenzitására. Az oxigén-borítottság 0,17. A C u(lll) felületet 90 L HNCO-val exponáltuk 300 K-en. Primer elektron-energia 2,5 kv. ( (R = O514/Cu92o (x); N384/Cu92o(o); C271/Cu92o (a). (1L = 1, Pa s)

3 Magyar Kémiai Folyóirat S í. évf az. Solymosi F. és J.s Kiss A HNCO adszorpciója és bomlása réz felületen 133 R. 4. ábra A nitrogén és szén relatív Auger-jel intenzitásának függése a HNCO-expozíciótól. A felületet előzőleg 60 L 0 2-nel exponáltuk 300 K-en ( Q ^ 0,17). (1 L = 1, Pa.s) 6. ábra A C és N relatív Auger-jel intenzitásának függése az oxigén-borítottsággal spektrumok felvételekor először minden esetben a fontosabb jeleket rögzítettük. Részletes Auger-spektroszkópiai vizsgálatainkból kitűnt, hogy a HNCO adszorpciója után a szén főcsúcsa (271 ev) fölött két kisebb csúcs is előáll 3, ül. 7 ev-tal nagyobb energiáknál (1. ábra). Ilyen viselkedést nem tapasztaltunk, amikor felületi szenet hoztunk létre a gázfázisú CO nagy energiájú elektronokkal végzett bombázása révén. Ezek a különbségek valószínűleg annak tulajdoníthatók, hogy az adszorbeált molekulák különböző kémiai környezetben vannak, amelyek befolyásolják az Auger-jelek alakjait8-10. A fentiekhez hasonlóan a nitrogénjelek is finomszerkezetet mutatnak. Két kisebb csúcsot észleltünk 5 és 10 ev-tal magasabban, és 15, ill. 23 ev-tal alacsonyabban a főcsúcshoz (384 ev) viszonyítva. A 4. ábrán a relatív N és C jeleket ábrázoltuk a HNCO-expozíció függvényében. Látható, hogy mindkét jel állandó értéket ér el L HNCOepozíció felett. Amikor a relatív C jelet ábrázoltuk a N jel függvényében, egyenest kaptunk (5. ábra). A 6. ábra az oxigén-borítottság függvényében mutatja a HNCO-felvételt. Ezekben a kísérletekben a HNCO-expozíció 90 L volt. A N és C jelek lineárisan növekednek az oxigén-borítottsággal h0lhcu ^ 0,06-ig, amely ^ 0,05-ös borítottságnak felel meg. A legnagyobb értéket 6q ^ 0,07-nél értük el. Az oxigén-borítottság további növelése észrevehetően nem növelte meg a HNCO-adszorpció mértékét. 3. Termikus deszorpciós vizsgálatok A termikus deszorpciós spektrumokat 10 K s-1 lineáris fűtéssebességgel vettük fel. A deszorpció során C02-t (m/e = 44), N2-t (m]e = 28 és 14) és C2N2-t (m/e = 52) találtunk (7. ábra). Kémleltünk még H2-, NH-3, HCN-, HNCO-, NCO-, (NCO)2- és H20-re, pozitív eredmény nélkül. A C02 képződése érzékenyen függött a preadszorbeált oxigén mennyiségétől. Nagyon kis oxigén-borítottságnál (h0jhcll^ 0,018) csak egy 5. ábra A szén relatív Auger-jel intenzitása a nitrogénjei függvényében oxigénnel borított felületen (0 ^ 0,17) különböző HNCO-borítotságoknál 8 M. P. Hooker, J. T. Grant: Surf. Sci., J. T. Grant, M. P. Hooker: Solid State Commun., J. G. McCarty, R. J. Madix: J. Catal., E. Umbach, J. C. Fuggle, D. Menzel: J. Electron Spectrosc.,

4 134 Solymosi F. és Kiss J.t A HNCO adszorpciója és bomlása rés felületen Magyar Kémiai Folyóirat 88. évf sz. termék eloszlás 1. táblázat Az oxigén-boritottság hatása a C02 és a termikus deszorpciókor talált termékek jelarányaira a> ^o/^cu = 0,018 ho/hcu = 0,17 ho/hcu 0,35 e ~ 0,02 0 ~ 0,17 0 < ' 0,35 CO* 0,51 1,30 1,43 CO* C*N* N* CaN* N* CO* 3,1 4,0 5,9 2,5 3,5 5,7 0,80 0,78 0,87 7. ábra Hőmérséklet-programozott deszorpciós spektrum a HNCO-adszorpció után. Ta(jsz = 300 K. Előzőleg a felületet (a) 1,2 L 0 2-nel, (b) 60 L 0 2-nel, (c) 1700 L 0 2-nel exponáltuk. A HNCO-expozíció 90 L volt. A görbéket nem módosítottuk az érzékenységi faktorokkal. (1 L = 1, Pa.s) C02 csúcsot (a3) kaptunk 670 K-nél. Nagyobb oxigén-borítottságnál (h0lkcu ^ 0,10) a deszorbeálódott gázok mennyisége jelentősen megnőtt. A C02 két fő csúcsban deszorbeálódott 463 K (ax) és 633 K (a2) hőmérsékleteken. 670 K-nél csak egy vállat találtunk. A nitrogén deszorpciója minden esetben 700 K felett kezdődött. Lehetőségként felmerült, hogy a 28-as tömegszámnál mért ionáramhoz a N2-en kívül a CO is hozzájárul, ezért azonos körülmények között méréseket végeztünk a 14-es tömegszámnál is. A két tömegszámnál végzett mérések összehasonlításából kitűnt, hogy CO a felületi reakcióban nem képződik. Magasabb hőmérsékleten, 800 K felett, C2N2-deszorpciót észleltünk. A deszorbeálódott gázok aránya, a C02/C2N 2 és N2/C2N2 az oxigén-borítottsággal nőtt, míg a C0 2 /N2 állandó maradt (1. táblázat). A következő méréssorozatban az oxigén-borítottságot tartottuk állandó értéken {h0jhcu = 0,17) és a HNCO-expozíciót változtattuk. Kis HNCOexpozíciónál csak a C02 alacsony hőmérsékletű (%) deszorpciós csúcsát észleltük (Tmax 513 K). Az expozíció növelésével a deszorpció csúcshőmérséklete az alacsonyabb hőmérsékletek felé tolódott, ezzel párhuzamosan a magasabb hőmérsékletű állapotok (a2, a3) is kifejlődtek. Ezek csúcshőmérsékletei nem függtek a HNCO-expozíciótól. A deszorpció kinetikai paramétereit különböző módon számítottuk ki. Az adatokat a 2. táblázatban közöljük. A nitrogén deszorpciós csúcshőmérséklete K között változott, azaz alig függött a HNCOés az oxigén-borítottságtól. A nitrogén-deszorpció aktiválási energiája 146,5 kj/molnak adódott, mely lényegesen nagyobb, mint a C02-képződés aktiválási energiája (8. ábra). A C2N2-deszorpció csúcshőmérséklete 874 K volt, mely nem változott a HNCO-expozícióval. A számított deszorpciós aktiválási energia 169,8 kj/mol-nak adódott (2. táblázat). A következőkben a HNCO-val borított felületet különböző hőmérsékletekre fűtöttük és vizsgáltuk az Auger-spektrumok változásait. Az eredmények jó egyezést mutattak a termikus deszorpciós vizsgálatok eredményeivel. A nitrogénjei 2. táblázat Az izocianát bomlásának jellemző adatai az oxigénnel borított C u(lll) felületen Állapot 2p E* (K) kj/mol K* (s-1) E** (kj/mol) V * (8 *) C02(aj)/HNCO ,0 66,0 C02(a2)/HNC ,9 7x10«98,0 1,2 XlO7 n 2/h nco ,5 5,1 X 10 c2n 2/h nco ,8 4X ,3 1,4x10 Az A(a)/B jelölés a B gáz adszorpcióját követő A gáz a állapotú deszorpciós csúcsát jelenti. * A fűtéssebesség változtatás módszerével számított értékek11. ** A Chan és munkatársai12 által kialakított approximációs módszer alapján számított értékek. 11 P. A. Redhead: Vaeuum, C. M. Chan, R. Avis, W. H. Weinberg: Appl. Surface Sci., ,

5 Magyar Kémiai Folyóirat 88. ért az. Solymosi F. éa Kisa J.t A HNCO adszorpciója éa bomlása réz felületen ábra A nitrogénfm/e = 14) és a C2N2 (m/e 52) deszorpciós spektrumai a HNCO-adszorpció után. A C u(lll) felületet előzőleg a 60 L 0 2-nel exponáltuk 300 K-en. (1 L == 1, Pa.s) 700 K-ig nem változott, ugyanakkor a szén- és oxigénjei 400 K felett csökkenő tendenciát mutatott. 750 K felett csak N és C jelet észleltünk közel egyenlő intenzitásban. A hőmérséklet növelésével mindkét jel tovább csökkent, ill. eltűnt. 4. Energiaveszteségi spektroszkópiai vizsgálatok Az elektron energiaveszteségi spektroszkópia számos megfigyelés és jelenség értelmezéséhez nyújt segítséget a fémek elektronszerkezete, valamint a fémek és gázok közötti kölcsönhatás vizsgálatában. Mivel a gázok adszorpciója főként a felületi plazmon veszteségeket befolyásolja, így lehetőség nyílik a térfogati és felületi plazmon megkülönböztetésére. Először a tiszta Cu(lll) felületről történő rugalmas elektronszórás mértékét határoztuk meg ev primer elektronenergia alkalmazása mellett. A maximális visszaszórást 70 ev-nál észleltük, amely jó egyezésben van Kessler és Thieme13 eredményeivel. A további vizsgálatokat 70 ev primer energiánál végeztük, a mintán folyó áram 0,2 fi A volt. Á tiszta C u(lll) felület karakterisztikus energiaveszteségeit 2,7, 4,8, 7,1, 18,8 és 26 ev-nál találtuk, amelyek nem változtak a primer elektronenergiával. Az oxigénnek a C u(lll) felületen történő adszorpciója (60 L) megnövelte a rugalmas visszaszórás nagyságát és a réz 2,7 ev-os veszteségi csúcsát, de jelentősen csökkentette a 18,8 ev-os csúcs intenzitását. A 7,1 ev-os veszteségi csúcs 6.5 ev-ra tolódott. Egy új csúcsot figyeltünk meg 9,3 ev-nál (9. ábra). Abban az esetben, amikor 300 K-en a 60 L oxigénnel exponált C u(lll) felületre HNCO-t vezettünk, új veszteségi csúcsokat észleltünk 10,4 és 13.5 ev-nál (9. ábra). Ezeknek, valamint az elasztikus csúcsnak az intenzitása növekedett a HNCOexpozícióval 10 L-ig, ugyanakkor az adszorbeált 13 J. Kessler, F. Thieme: Surf. Sci., ábra Az oxigénnel preadszorbeált (0 ^ 0,17) C u(lll) felület elektron energiaveszteségi spektrumai különböző HNCOexpozíciók után. Az összehasonlítás kedvéért feltüntettük a tiszta C u(lll) felület spektrumát is. (Ea 70 ev; I = 0,2 fia) oxigénhez tartozó veszteségi csúcs (9,3 ev-nál) csökkent. Meg kell jegyezni, hogy a réz 18,8 ev-os csúcsának intenzitása, mely az oxigén-adszorpció hatására csökkent, a HNCO-expozíció növelésével nőtt és 10 L körül az eredeti értéket érte el. Az energiaveszteségi spektrumokat felvettük, amikor a HNCO-val borított felületet különböző hőmérsékletekre fűtöttük. Az eredményeket a 10. ábrán mutatjuk be. Mind a 10,4, mind a 13,5 ev-os csúcs intenzitása 443 K-ig változatlan volt. A 13,5 ev-os csúcs K között tűnt el. A 10,4 ev-os csúcs stabilisabb volt, még 874 K-es kezelés után is megfigyeltük. 707 K felett egy új csúcsot észleltünk váll formájában 12,6 ev-nál, amelyet csak 874 K fölé történő fűtéssel tudtunk eltávolítani. A tiszta és az oxigénnel kezelt Cu(lll) felületen a CO, C02 és az aktivált nitrogén nem okozott változást a veszteségi spektrumokon.

6 1 36 Solymosi F. és Kiss J.t A HNCO adszorpciója és bomlása réz felületen Magyar Kémiai Folyóirat 88. évf sz. 3. táblázat A különböző adszorbeátumokkal borított rézfelületen észlelt elektron energiaveszteségek Tiszta fémen (ev) Űj veszteségek az adszorpció után HNCO co 1 0 C8Na írod. 2,7 4,8 7,1 18, ,4 13,5 9,3 10,4 12,5 jelen munka 4,5 7,7 10,5 19,0 27,5 39 4,5 13,5 28 3,4 4,7 7,7 19,8 4,7 (10) 13,8 13 Elektron energiaveszteségi spektrumok, miután a 90 L HNCO-val exponált felületet különböző hőmérsékletekre fűtöttük. (A fűtéssebesség 10 Ksec-1) A 3. táblázatban összefoglaltuk a veszteségi energiákat. Az összehasonlítás kedvéért néhány, irodalomból vett értéket is feltüntettünk. A kísérleti eredmények értelmezése A HNCO adszorpcióját korábban Pt(110) és P t(lll) felületeken vizsgáltuk14. Egekkel a felületekkel ellentétben a HNCO a tiszta C u(lll) felületen nem adszorbeálódott. Adszorbeált oxigén jelenléte azonban jelentősen befolyásolta a felület adszorpciós sajátságait és előidézte a HNCO megkötődését. A HNCO-adszorpció mértéke lineárisan változott a felületi oxigén-koncentrációval, 0o = = 0,05-ig. Teljes HNCO-borítottságnál 9,5 i 0,5 X X 1013 molekula/cm2 felületi koncentrációt számítottunk. A felületi koncentráció kiszámításánál figyelembe vettük a hn//icu Auger-intenzitásarány és a nitrogén-borítottság közötti összefüggést, amelyet külön kísérletben határoztunk meg a C u(lll) felületen az atomos nitrogén adszorpciójával. A HNCO kezdeti tapadási együtthatójára a nitrogén Auger-jelek változása alapján (4. ábra) a 0,11 értéket kaptuk. A réz felületén adszorbeálódott oxigén hatására vonatkozóan Madix és munkatársai15 kimutatták, hogy a Cu(110) felületen preadszorbeált oxigén jelentősen növeli a CH3OH, C2H5OH, HCHO és a HCOOH adszorpcióját. A közelmúltban a nagy felbontóképességű elektron energiaveszteségi spektroszkópia segítségével megállapították, hogy a C u(lll) felületen kemiszorbeált oxigén és alkoholok közötti kölcsönhatás során (CHsO Cu) és (C2HsO Cu) felületi komplexek képződnek16. Mielőtt rátérnénk eredményeink részletes diszkussziójára, röviden foglalkoznunk kell a Cu és az 0 2 kölcsönhatásával. Az oxigén adszorpcióját C u(lll) felületen kevésbé vizsgálták, mint más rézfelületeken. Ezen a felületen a LEED-vizsgálatok nem mutattak rendezett fázis kialakulására Bootsma és munkatársai7 az 0 2, ill. az N20 adszorpcióját a C u(lll) felületen ellipszometriával és Auger-elektron spektroszkópiával vizsgálták. Kísérleteik szerint az oxigén disszociatíve adszorbeálódik. A kezdeti tapadási koefficiens értéke ^ 10 ~3, az adszorpció aktiválási energiája 9 16 kj/mol. Az adszorbeált oxigén kölcsönhatása a HNCO-val Az adszorbeált oxigén egyik lehetséges szerepe a HNCO-adszorpció előidézésében az lehet, hogy elősegíti a HNCO disszociatív adszorpcióját, amely 14 F. Solymosi, J. K iss: Surf. Sci., R. J. Madix: Surf. Sci., B. A. Sexton: Surf. Sci., G. Érti: Surf. Sci., G. W. Simmons, D. F. Mitchell, K. R. Lawless: Surf. Sci., A. Oustry, L. Lafourcade, A. Escaut: Surf. Sci., 40,

7 Magyar Kémiai Folyóirat 88. éyf az. Solymosi F. és Kiss J.t A HNGO adszorpciója és bomlása réz felttleten 137 a következő átmeneti állapoton keresztül mehet végbe: 0 O -H -N C O 1 Cu Cu -f- HNCO(g) i : Cu Cu (i) A hidrogén az oxigénhez kapcsolódik, míg az NCO a szomszédos üreshelyen adszorbeálódik: O -H -N C O I : Cu Cu C u-o H + Cu NCO (2) A HNCO adszorpciójakor víz képződött, jelezvén, hogy a feiület dehidratáciája C u-o H + C u-o H Cu 0 + H 20 (g) (3) gyors és együtt megy végbe az adszorpcióval. Ez a folyamat gyakorlatilag 300 K-en már teljes volt, H20-t vagy más hidrogéntartalmú vegyületet a deszorbeálódó termékek között nem találtunk. Ez az eredmény egyezésben van Roberts és munkatársainak2021 a felületi OH-csoport stabilitására vonatkozó megfigyelésével C u(lll) felületen. Mivel HNCO-t, NCO-t és (NCO)2-t nem tudtunk kimutatni a gáztérben, azt a következtetést vonhatjuk le, hogy" az NCO erősen kötődik a réz felületéhez és NCO formában nem deszorbeálódik. A hőmérséklet emelésével C02-képződést észleltünk először, amely azt jelzi, hogy az adszorpciós fázisban reakció ment végbe. Nagyon valószínűnek látszik, hogy az NCO-csoport a szomszédos helyen levő oxigénatommal reagált, amelyet COa-deszorpció követett: Cu NCO -j- Cu O Cu N + Cu + C02(g) (4) Egy másik magyarázat az lehet, hogy az NCO disszociált 300 K-en a réz felületén: Cu-NCO + Cu(Cu 0) -v C u -N -f C u -C 0 (C u -C 0 2) (5) Ez a folyamat minden valószínűség szerint lejátszódik a Pt-felületeken A CO- és C02-nak a Cufelületeken mutatott adszorpciós sajátságai azonban ezt a magyarázatot nagyon valószínűtlenné teszik. Nem, vagy csak nagyon csekély kölcsönhatást észleltünk 300 K-en a CO, ill. a C02 és a tiszta Cu(lll) felület között. A Co Cu(lll) felületen csak alacsony hőmérsékleten, 140 K-en adszorbeálódik13' A CO-adszorpció ezen a hőmérsékleten ]^3 X ]/"3 (R 30 ) [LEED struktúrát adott24. Az adszorbeált CO már 170 K körül deszorbeálódik a felületről. Az adszorpció aktiválási energiájára 50 kj/mol értéket adtak meg. A CO deszorpciójakor mért kilépési munka változásából szintén arra az eredményre jutottak, hogy a CO 190 K-en teljesen eltávolítható a felületről L. McDonnell, D. P. Woodruff: Surf. Sci., Chak-tong Au, J. Breza, M. W. Roberts: Chem. Phys. Letters, G. Erű: Surf. Sci., J. Pritchard: J. Vacuum Sci., Technoi., H. Conrad, G. Érti, J. Küppers, E. E. Latta: Solid State Commun., Lehetőségként felmerülhetne, hogy a felületi oxigén a Cu felületen megnöveli a CO, ill. C02 tapadási koefficiensét. Kísérleteink szerint azonban a CO és C02 nem adszorbeálódik az oxigénnel preadszorbeált C u(lll) felületen sem. Ez a megfigyelés összhangban von Wachs és Madix25 Cu(110) felületen végzett vizsgálatai eredményeivel. Összehasonlításként megvizsgálták a tiszta és a részlegesen oxidált felületeken a CO és C02 adszorpcióját 180 K-en. Azt találták, hogy az oxigénatomok jelenléte csökkenti a CO és C02 tapadási valószínűségét, ami valószínűleg annak tulajdonítható, hogy az oxigén csökkenti a CO és C02 számára alkalmas adszorpciós helyek számát. A fenti megfigyelések alapján azt a következtetést vonhatjuk le, hogy az NCO stabilis 300 K-en a C u(lll) felületen. Megjegyezzük, hogy a részlegesen oxidált rézfelületen az NCO stabilitására vonatkozó infravörös spektroszkópiai vizsgálataink további bizonyítékot szolgáltattak az NCO létezésére rézfelületen. A Cu/Si02 kontakton adszorbeált HNCO 2210 cm-1-nél adott elnyelési sávot, amely Cu NCO-hoz rendelhető. Ennek a sávnak a helyzete jó egyezést mutat a NO -f- CO reakcióban a CuO/Si02 katalizátoron képződő felületi komplex elnyelési sáv helyzetével2. A 2210 cm-1-es sáv intenzitása 403 K felett kezdett el csökkenni és teljesen 600 K felett tűnt el. Azt az eredményt, hogy a C02 két fő csúcsban deszorbeálódik, azzal a képpel lehetne magyarázni, hogy reakcióképesség szempontjából két különböző állapotú adszorbeált oxigén (vagy HNCO) létezik a felületen. Véleményünk szerint a legvalószínűbb ok a két deszorpciós csúcs kialakulására az, hogy az NCO először a szomszédos oxigénatomokkal reagál egy másodrendű kinetikai folyamatban, míg a magasabb hőmérsékletű fázisban a reagáló anyagok felületi diffúziója előzi meg a felületi reakciót, amelyhez valamivel nagyobb aktiválási energia tartozik. A viszonylag kisebb aktiválási energia, valamint a preexponenciális faktor értékei támogatják ezt az elképzelést. Az NCO felületi oxidációjában képződő nitrogén 700 K-ig kötve marad a réz felületén. A 28-as és 14-es tömegszámnál deszorbeálódó csúcsok összehasonlításából kitűnt, hogy a nitrogénatomok a deszorpció előtt rekombinálódnak. A közelmúltban tanulmányoztuk az atomos nitrogén és a Cu(lll) felület kölcsönhatását26. A deszorpció csúcshőmérséklete és aktiválási energiája jó egyezést mutatott azzal, amelyet az NCO bomlásából származó nitrogén deszorpciójára kaptunk. A termikus deszorpciós vizsgálatok során meglepő eredményként tapasztaltuk a C2N 2 képződését. A C2N 2 deszorpciója a legmagasabb hőmérsékleten, 800 K felett ment végbe. Az a tény, hogy a C2N2 relatív mennyisége nagyobb volt, amikor kisebb felületi oxigén-koncentrációt alkalmaztunk, azt az elképzelést valószínűsíti, hogy a^c2n2 kép- 25 J. E. Wachs, R. J. Madix: J. Catal., J. Kiss, A. Berkó, F. Solymosi: Proc. 8th Intern. Vacuum Congr. and 4th Intern. Conf. on Solid Surfaces, Cannes, o.

8 138 Sólymon F< és Kiss J.t A HNCO adszorpciója és bomlása réz felületen Magyar Kémiai Folyóirat 88. évt sz* ződése a felületi oxigénatomoknak a (2)-es reakcióban való elreagálása után kezdődik. Véleményünk szerint ebben a szakaszban a következő folyamat mehet végbe: Cu -NCO + Cu C u-n C + C u - 0 (6) Mivel CN-gyököt a gáztérben nem tudtunk kimutatni, feltételezzük, hogy a CN-csoportok rekombinálódnak a deszorpció előtt. A deszorpció jellemző adatai megegyeznek azokkal, amelyeket külön kísérletekben a C2N2 és Cu(lll) felület közötti kölcsönhatás vizsgálatakor meghatároztunk27. Az energiaveszteségi spektrumok értékelése Az energiaveszteségi spektroszkópiás vizsgálatok további segítséget nyújtanak a HNCO adszorpciójának és reakciójának értelmezéséhez. Mielőtt azonban rátérnénk a HNCO-adszorpció okozta veszteségek tárgyalására, hasznosnak tűnik a rézfelületeken adszorbeált CO energiaveszteségi sajátságait összefoglalni. A Cu(311) felületen a CO-adszorpció 77 K-en két új veszteségi csúcsot idézett elő 4,5 és 13,5 evnál, és eltüntette a réz 7,7 és 19 ev-nál levő veszteségi csúcsát28. CO-adszorpció hatására a réz kis intenzitású csúcsa 10,5 ev-nál szintén eltűnt. Szobahőmérsékletre történő melegítés hatására a tiszta felület veszteségi csúcsai ismét előálltak, jelezvén, hogy a CO deszorbeálódott, amit a felületi potenciál mérések is alátámasztottak29. Kessler és Thieme15 vizsgálatai szerint a Cu(lll) felületen 150 K-en CO-adszorpció hatására a 4,7 és 7,7 ev-os veszteségi csúcsok csökkentek. Új veszteségi csúcs jelent meg 13,8 ev-nál és egy lényegesen kisebb 10 ev körül. A 10 ev-os csúcs 450 K-ig stabilis volt. Ezt a csúcsot a CO elektronindukált disszociációjából származó adszorbeált oxigénhez rendelték. A mi eredményeink azt mutatták, hogy az oxigén adszorpciója szintén befolyásolja a réz 7,1 ev-os veszteségét, amely arra utal, hogy ez a veszteség valószínűleg felületi plazmonhoz30 31 és nem térfogati plazmonhoz tartozik Az a tény, hogy az adszorbeált oxigén hasonlóan, mint a CO-adszorpció alacsony hőmérsékleten csökkentette a 18,8 ev-os csúcs intenzitását, támogatja Wehenkel35 nézetét a korábbi álláspontokkal30, 33, 34 szemben. Eszerint a 35 ev alatti veszteségek hibrid karakterűek, mind felületi, mind térfogati tényezőt tartalmaznak, és a felületi plazmon-veszteségek leginkább 10 ev alatt vannak. Az oxigén-adszorpció hatására megjelenő új veszteségi csúcs megerősíti Kessler ésjthieme13 elképzelését a spektru- «F. Solymosi, J. Kiss: Surf. Sci., H. Papp: Surf. Sci., H. Papp, J. Pritchard: Surf. Sci., L. K. Jordán, E. J. Scheibner: Surf. Sci., A. R. L. Moss, B. H. Blott: Surf. Sci., ' J. Daniels, C. V. Festenberg, H. Raether, K. Zeppenfeld: Springer Tracts in Modern Physics, H. Ehrenreich, H. R. Philipp: Phys. Rév., J. Markiund, S. Anderson, J. Martinson: Arkiv Fysik, C. Wehenkel: J. Physique, maikon észlelt 10 ev-os csúcs eredetére vonatkozóan. A HNCO adszorpciója 300 K-en két új veszteségi csúcs megjelenését eredményezte 10,4 és 13.5 ev-nál, ugyanakkor a 18,8 ev-os csúcs intenzitása, mely az oxigén-adszorpció hatására lecsökkent, az eredeti értéket érte el, jelezvén a HNCO és az adszorbeált oxigén közötti reakciót. A 9,3 ev-os csúcs intenzitása, melyet az oxigén-adszorpció idézett elő, csökkent; kis HNCO-expozíciónál vállként jelentkezett. Nagyobb HNCO-expozíeióknál a 9,3 ev-os csúcsot nem észleltük, részint a viszonylag széles 10,4 ev-os csúcs miatt, de véleményünk szerint főként a HNCO és az adszorbeált oxigén közötti reakció eredményeként. Mivel a CO-adszorpció szintén előidézte a 13,5 13,8 ev-os veszteségi csúcsot, lehetőségként felmerülhetne, hogy a HNCO-adszorpció hatására megjelenő 13,5 ev-os csúcsot az NCO disszociációjából származó CO-hoz rendeljük. Úgy gondoljuk azonban, hogy azok a bizonyítékok, amelyeket a fentiek során felsorakoztattunk a felületen levő CO létezése ellen 300 K-en, elég meggyőző érvként szolgálnak arra vonatkozóan, hogy ezt a lehetőséget kizárjuk. Megemlítjük, hogy 4,5 ev-nál nem találtunk veszteségi csúcsot, holott ez a csúcs a 140 K-en történő CO-adszorpciókor nagyobb volt, mint a 13,5 ev-os csúcs28, ugyanakkor új veszteségi csúcsot találtunk 10,4 ev-nál. A fentiek fényében a HNCO-adszorpció hatására megjelenő új csúcsokat az adszorbeált NCOhoz rendeljük. Az új veszteségek mélyebb értelmezéséhez nagy segítséget nyújtana, ha pontosan ismernénk az NCO elektronszerkezetét, ill. az energia-szinteket. Ezek a pontos adatok azonban még"nem állnak rendelkezésünkre. Az a tény, hogy a magasabb energiájú NCO-veszteség megegyezik a különböző fémfelületeken adszorbeált CO-veszteséggel, azt valószínűsíti, hogy ugyanaz az elektronátmenet történik mindkét esetben. Abban az esetben, amikor a HNCO-val exponált felületet K-re fűtöttük, a 13,5 ev-os veszteség eltűnt, ugyanakkor egy vállként 12.6 ev-nál új veszteséget észleltünk. Figyelembe véve a termikus deszorpciós vizsgálatokat, valószínűnek látszik, hogy ez a veszteség a cianidcsoporthoz tartozik. A C2N2-nek az adszorpciója C u(lll) felületen 12,5 és 10,4 ev-nál eredményezett veszteségi csúcsokat. összefoglalás Kísérleteink szerint a HNCO 300 K-en a tiszta C u(lll) felületen nem adszorbeálódik. Az adszorbeált oxigén jelenléte azonban jelentősen befolyásolja ennek a felületnek az adszorpciós sajátságait és előidézi a HNCO disszociatív adszorpcióját, miközben víz képződik. A HNCO adszorpciója 300 K-en két új veszteségi csúcsot eredményezett 10,4 és 13,5 ev-nál, melyeket nem észleltünk a CO, ill. az atomos nitrogén adszorpciójakor. Ezeket a veszteségeket a Cu(lll) felületen levő NCO-hoz rendeltük. A felületi izocianát 400 K-ig stabilis volt. Az adszorpciós fázisban végbemenő reakció

9 Magyar Kémiai Folyóirat 88. évf h. Solymori F. é» Kim J.t A HNCO adszorpciója és bomlása réz felülete» 139 C02 képződésével kezdődött. A nitrogén deszorpciója 700 K felett lépett fel. 800 K felett C2N2- képződést észleltünk. A C 02 képződésének jellemző adatai, valamint a termékek aránya érzékenyen függött a preadszorbeált oxigén mennyiségétől. HNCO-molekula nem deszorbeálódott és nem találtunk a gáztérben a deszorpció során NCO-t, és (NCO)2-t sem. A HNCO, a N, a CO és a C02 rézfelületeken megfigyelt adszorpciós és deszorpciós sajátságainak összehasonlításából azt a következtetést vontuk le, hogy az NCO létezik a C u(lll) felületen, 300 K-en. A HNCO-nak az oxigénnel preadszorbeált C u(lll) felülettel való kölcsönhatását, ül. a felületi NCO-nak az adszorbeált oxigénnel történő reakcióját részletesen tárgyaltuk. Adsorption and decomposition of HNCO on C u(lll) surface studied by Auger electron, electron energy loss and thermal desorption spectroscopy F. Solymosi and J. Kiss No detectable adsorbed species were observed after exposure of a clean C u(lll) surface to HNCO at 300 K. The presence of adsorbed oxygen, however, exerted a dramatic influence on the adsorptive properties of this surface and caused the dissociative adsorption of HNCO with concomitant release of water. The adsorption of HNCO at 300 K. produced two new strong losses at 10.4 and 13.5 ev in electron energy loss spectra, which were not observed during the adsorption of either CO or atomic N. These losses can be attributed to surface NCO on Cu(lll). The surface isocyanate was stable up to 400 K. The decomposition in the adsorbed phase began with the evolution of C02. The desorption of nitrogen started at 700 K. Above 800 K, the formation of C2N2 was observed. The characteristics of the C02 formation and the ratios of the products sensitively depended on the amount of preadsorbed oxygen. No HNCO was desorbed as such, and neither NCO nor (NCO)2 were detected during the desorption. From the comparison of adsorption and desorption behaviours of HNCO, N, CO and C02 on copper surfaces it was concluded that NCO exists as such on C u(lll) surface at 300 K. The interaction of HNCO with oxygen-covered C u(lll) surface and the reactions of surface NCO with adsorbed oxygen are discussed in detaü. Szeged, MTA Reakciókinetikai Tanszéki Kutató Csoport. Érkezett: II. 4.